Termoelektrisk generator (TEG termogenerator) er en elektrisk enhet som bruker Seebeck-, Thomson- og Peltier-effektene til å generere elektrisitet gjennom termo-EMF. Termo-EMF-effekten ble oppdaget av den tyske forskeren Thomas Johann Seebeck (Seebeck-effekten) i 1821. I 1851 fortsatte William Thomson (senere Lord Kelvin) termodynamisk forskning og beviste at kilden til den elektromotoriske kraften (EMF) er en temperaturforskjell.
I 1834 oppdaget den franske oppfinneren og urmakeren Jean Charles Peltier den andre termoelektriske effekten, og fant ut at temperaturforskjellen oppstår i krysset mellom to forskjellige typer materialer under påvirkning av en elektrisk strøm (Peltier-effekten). Spesifikt spådde han at en EMF ville utvikle seg innenfor en enkelt leder når det var en temperaturforskjell.
I 1950 oppdaget den russiske akademikeren og forsker Abram Ioffe de termoelektriske egenskapene til halvledere. Termoelektrisk kraftgenerator begynte å bli brukt iautonome strømforsyningssystemer i utilgjengelige områder. Studiet av verdensrommet, menneskets romvandring ga en kraftig drivkraft til den raske utviklingen av termoelektriske omformere.
Radioisotopenergikilden ble først installert på romfartøyer og orbitale stasjoner. De begynner å bli brukt i den store olje- og gassindustrien for anti-korrosjonsbeskyttelse av gassrørledninger, i forskningsarbeid i det fjerne nord, innen medisin som pacemakere og i boliger som autonome strømforsyningskilder.
Termoelektrisk effekt og varmeoverføring i elektroniske systemer
Termoelektriske generatorer, hvis driftsprinsipp er basert på den komplekse bruken av effekten til tre forskere (Seebeck, Thomson, Peltier), ble utviklet nesten 150 år etter funn som var langt forut for sin tid.
Termoelektrisk effekt er følgende fenomen. For kjøling eller generering av elektrisitet brukes en "modul" bestående av elektrisk koblede par. Hvert par består av halvledermateriale p (S> 0) og n (S<0). Disse to materialene er forbundet med en leder hvis termoelektriske effekt antas å være null. To grener (p og n) og alle andre par som utgjør modulen er koblet i serie i den elektriske kretsen og parallelt i den termiske kretsen. TEG (termoelektrisk generator) med denne layouten skaper forhold for å optimere varmestrømmen som passerer gjennom modulen, og overvinne denelektrisk motstand. Elektrisk strøm virker på en slik måte at ladningsbærere (elektroner og hull) beveger seg fra en kald kilde til en varm kilde (i termodynamisk forstand) i to grener av paret. Samtidig bidrar de til overføring av entropi fra en kald kilde til en varm, til en varmestrøm som vil motstå varmeledning.
Hvis de valgte materialene har gode termoelektriske egenskaper, vil denne varmefluksen som genereres ved bevegelse av ladningsbærere være større enn den termiske ledningsevnen. Derfor vil systemet overføre varme fra en kald kilde til en varm og fungere som et kjøleskap. Når det gjelder elektrisitetsproduksjon, forårsaker varmestrømmen forskyvning av ladningsbærere og utseendet til en elektrisk strøm. Jo større temperaturforskjellen er, jo mer elektrisitet kan oppnås.
TEG-effektivitet
Vurdert av effektivitetsfaktoren. Kraften til en termoelektrisk generator avhenger av to kritiske faktorer:
- Mengden varmestrøm som kan bevege seg gjennom modulen (varmestrøm).
- Temperature deltas (DT) - temperaturforskjellen mellom den varme og kalde siden av generatoren. Jo større deltaet er, desto mer effektivt fungerer det, derfor må det legges til rette for konstruktive forhold, både for maksimal kuldetilførsel og maksimal varmefjerning fra generatorveggene.
Begrepet "effektivitet til termoelektriske generatorer" ligner på begrepet som brukes for alle andre typertermiske motorer. Så langt er den svært lav og utgjør ikke mer enn 17 % av Carnots effektivitet. Effektiviteten til TEG-generatoren begrenses av Carnot-effektiviteten og når i praksis bare noen få prosent (2-6%) selv ved høye temperaturer. Dette skyldes den lave varmeledningsevnen i halvledermaterialer, som ikke bidrar til effektiv kraftproduksjon. Det trengs altså materialer med lav varmeledningsevne, men samtidig med høyest mulig elektrisk ledningsevne.
Halvledere gjør en bedre jobb enn metaller, men er fortsatt veldig langt fra de indikatorene som vil bringe en termoelektrisk generator til nivået av industriell produksjon (med minst 15 % bruk av høytemperaturvarme). En ytterligere økning i effektiviteten til TEG avhenger av egenskapene til termoelektriske materialer (termoelektriske), som for tiden er opptatt av hele planetens vitenskapelige potensial.
Utviklingen av ny termoelektrikk er relativt kompleks og kostbar, men hvis den lykkes, vil den forårsake en teknologisk revolusjon innen generasjonssystemer.
Termoelektriske materialer
Termoelektrikk er laget av spesielle legeringer eller halvlederforbindelser. Nylig har elektrisk ledende polymerer blitt brukt for termoelektriske egenskaper.
Krav til termoelektrikk:
- høy effektivitet på grunn av lav termisk ledningsevne og høy elektrisk ledningsevne, høy Seebeck-koeffisient;
- motstand mot høye temperaturer og termomekaniskinnvirkning;
- tilgjengelighet og miljøsikkerhet;
- motstand mot vibrasjoner og plutselige temperaturendringer;
- langsiktig stabilitet og lave kostnader;
- automatisering av produksjonsprosessen.
For tiden pågår eksperimenter for å velge optimale termoelementer, som vil øke TEG-effektiviteten. Det termoelektriske halvledermaterialet er en legering av tellurid og vismut. Den er spesielt produsert for å gi individuelle blokker eller elementer med forskjellige "N"- og "P"-egenskaper.
Termoelektriske materialer er oftest laget ved retningsbestemt krystallisering fra smeltet eller presset pulvermetallurgi. Hver produksjonsmetode har sin egen spesielle fordel, men retningsbestemte vekstmaterialer er de vanligste. I tillegg til vismuttelluritt (Bi 2 Te 3), er det andre termoelektriske materialer, inkludert legeringer av bly og telluritt (PbTe), silisium og germanium (SiGe), vismut og antimon (Bi-Sb), som kan brukes i spesifikke saker. Mens vismut- og tellurid-termoelementer er best for de fleste TEG-er.
Dignity of TEG
Fordeler med termoelektriske generatorer:
- elektrisitet genereres i en lukket, ett-trinns krets uten bruk av komplekse overføringssystemer og bruk av bevegelige deler;
- mangel på arbeidsvæsker og gasser;
- ingen utslipp av skadelige stoffer, spillvarme og støyforurensning av miljøet;
- enhet lang batterilevetidfungerer;
- bruk av spillvarme (sekundære varmekilder) for å spare energiressurser
- arbeid i hvilken som helst posisjon av objektet, uavhengig av driftsmiljøet: rom, vann, jord;
- DC lavspenningsgenerering;
- kortslutningsimmunitet;
- Ubegrenset holdbarhet, 100 % klar til bruk.
Anvendelsesområder for termoelektrisk generator
Fordelene med TEG avgjorde utviklingsutsiktene og dens nære fremtid:
- studie av havet og verdensrommet;
- applikasjon i liten (innenlandsk) alternativ energi;
- bruker varme fra bileksosrør;
- i resirkuleringssystemer;
- i kjøle- og klimaanlegg;
- i varmepumpesystemer for øyeblikkelig oppvarming av dieselmotorer til diesellokomotiver og personbiler;
- oppvarming og matlaging i feltforhold;
- lader elektroniske enheter og klokker;
- ernæring av sensoriske armbånd for idrettsutøvere.
Termoelektrisk Peltier-omformer
Peltier-element (EP) er en termoelektrisk omformer som bruker Peltier-effekten med samme navn, en av de tre termoelektriske effektene (Seebeck og Thomson).
Franskmannen Jean-Charles Peltier koblet kobber- og vismuttråder til hverandre og koblet dem til et batteri, og skapte dermed et par tilkoblinger på toforskjellige metaller. Når batteriet ble slått på, ble det ene krysset varmet opp og det andre kjølt seg ned.
Peltier-effektenheter er ekstremt pålitelige fordi de ikke har bevegelige deler, er vedlikeholdsfrie, avgir ingen skadelige gasser, er kompakte og har toveis drift (oppvarming og kjøling) avhengig av strømmens retning.
Dessverre er de ineffektive, har lav effektivitet, avgir ganske mye varme, noe som krever ekstra ventilasjon og øker kostnadene for enheten. Slike enheter bruker ganske mye strøm og kan forårsake overoppheting eller kondens. Peltier-elementer større enn 60 mm x 60 mm blir nesten aldri funnet.
Omfang av ES
Introduksjonen av avanserte teknologier i produksjonen av termoelektrikk har ført til en reduksjon i produksjonskostnadene for EP og utvidelse av markedstilgjengelighet.
I dag er EP mye brukt:
- i bærbare kjølere, for kjøling av små apparater og elektroniske komponenter;
- i avfuktere for å trekke ut vann fra luften;
- i romfartøy for å balansere effekten av direkte sollys på den ene siden av skipet mens varmen spres til den andre siden;
- for å kjøle ned fotondetektorene til astronomiske teleskoper og høykvalitets digitale kameraer for å minimere observasjonsfeil på grunn av overoppheting;
- for kjøling av datamaskinkomponenter.
Nylig har den blitt mye brukt til innenlandske formål:
- i kjøligere enheter drevet av USB-port for å kjøle eller varme drikker;
- i form av et ekstra trinn med kjøling av kompresjonskjøleskap med temperaturreduksjon til -80 grader for ett-trinns kjøling og opp til -120 for to-trinns;
- i biler for å lage autonome kjøleskap eller varmeovner.
Kina har lansert produksjon av Peltier-elementer med modifikasjoner TEC1-12705, TEC1-12706, TEC1-12715 verdt opptil 7 euro, som kan gi strøm opptil 200 W i henhold til "varme-kald"-ordningene, med en levetid på opptil 200 000 timers drift i temperatursonen fra -30 til 138 grader Celsius.
RITEG atombatterier
En radioisotop termoelektrisk generator (RTG) er en enhet som bruker termoelementer til å konvertere varme fra nedbrytning av radioaktivt materiale til elektrisitet. Denne generatoren har ingen bevegelige deler. RITEG ble brukt som energikilde på satellitter, romfartøyer, fjerntliggende fyrtårnsanlegg bygget av USSR for polarsirkelen.
RTG-er er generelt den mest foretrukne strømkilden for enheter som krever flere hundre watt strøm. I brenselceller, batterier eller generatorer installert på steder hvor solceller er ineffektive. En radioisotop termoelektrisk generator krever streng radioisotophåndtering underlang tid etter slutten av levetiden.
Det er rundt 1000 RTG-er i Russland, som hovedsakelig ble brukt til strømkilder på langdistansemidler: fyrtårn, radiofyr og annet spesialradioutstyr. Den første rom-RTG på polonium-210 var Limon-1 i 1962, deretter Orion-1 med en effekt på 20 W. Den siste modifikasjonen ble installert på satellittene Strela-1 og Kosmos-84/90. Lunokhods-1, 2 og Mars-96 brukte RTG-er i sine varmesystemer.
DIY termoelektrisk generatorenhet
Slike komplekse prosesser som finner sted i TEG stopper ikke de lokale "Kulibins" i deres ønske om å bli med i den globale vitenskapelige og tekniske prosessen for opprettelsen av TEG. Bruken av hjemmelagde TEG-er har vært brukt i lang tid. Under den store patriotiske krigen laget partisaner en universell termoelektrisk generator. Den genererte strøm for å lade radioen.
Med ankomsten av Peltier-elementer på markedet til rimelige priser for husholdningsforbrukeren, er det mulig å lage en TEG selv ved å følge trinnene nedenfor.
- Få to kjøleribber fra en IT-butikk og påfør termisk pasta. Sistnevnte vil lette tilkoblingen av Peltier-elementet.
- Skill radiatorene med en hvilken som helst varmeisolator.
- Lag et hull i isolatoren for å få plass til Peltier-elementet og ledningene.
- Sett sammen strukturen og ta med varmekilden (stearinlyset) til en av radiatorene. Jo lengre oppvarming, jo mer strøm genereres fra hjemmets termoelektriskegenerator.
Denne enheten fungerer lydløst og er lett i vekt. Den termoelektriske generatoren ic2, i henhold til størrelsen, kan koble til mobiltelefonlader, slå på en liten radio og slå på LED-belysning.
For tiden har mange kjente globale produsenter lansert produksjon av forskjellige rimelige dingser ved hjelp av TEG for bilentusiaster og reisende.
Utsikter for utvikling av termoelektrisk produksjon
Etterspørselen etter husholdningers forbruk av TEG-er forventes å vokse med 14 %. Utsiktene for utvikling av termoelektrisk generasjon ble publisert av Market Research Future ved å gi ut papiret "Global Thermoelectric Generators Market Research Report - Forecast to 2022" - markedsanalyse, volum, andel, fremgang, trender og prognoser. Rapporten bekrefter løftet til TEG i resirkulering av bilavfall og samproduksjon av elektrisitet og varme til husholdnings- og industrianlegg.
Geografisk har det globale termoelektriske generatormarkedet blitt delt inn i Amerika, Europa, Asia-Stillehavet, India og Afrika. Asia-Pacific regnes som det raskest voksende segmentet i implementeringen av TEG-markedet.
Blant disse regionene er Amerika, ifølge eksperter, den viktigste inntektskilden i det globale TEG-markedet. En økning i etterspørselen etter ren energi forventes å øke etterspørselen i Amerika.
Europa vil også vise relativt rask vekst i prognoseperioden. India og Kina viløke forbruket i et betydelig tempo på grunn av økningen i etterspørselen etter kjøretøy, noe som vil føre til vekst i generatormarkedet.
Bilselskaper som Volkswagen, Ford, BMW og Volvo, i samarbeid med NASA, har allerede begynt å utvikle mini-TEG-er for varmegjenvinning og drivstofføkonomisystem i kjøretøy.
